- •Жуковский а.Т.
- •Содержание программы по дисциплине «Естествознание» раздел «Основы биологии. Ботаника»
- •Лекция 1 введение
- •1. Биология как наука: объекты, содержание, структура
- •2. Общие свойства и уровни организации живой материи
- •3. Возникновение и многообразие жизни на Земле
- •По мнению ученых, суммарное число видов на Земле (с учетом еще не открытых) достигает 5 – 35 млн., а по некоторым прогнозам даже 50 или 100 млн.
- •Лекция 2 клеточное строение организмов
- •1. Основные положения клеточной теории
- •2. Формы, размеры, химический состав клеток
- •3. Строение растительной клетки и некоторые ее свойства
- •4. Клеточный цикл. Деление клеток
- •Лекция 3 разнообразие жизни на земле. Вирусы и бактерии
- •1. Систематика как наука о разнообразии организмов
- •2. Общая характеристика вирусов и их значение в природе
- •3. Общая характеристика бактерий и их значение в природе
- •Лекция 4 разнообразие жизни на земле. Грибы, водоросли, лишайники
- •1. Общая характеристика грибов и их значение в природе
- •2. Общая характеристика водорослей и их значение в природе
- •3. Лишайники, как симбиотические организмы
- •Лекция 5 вегетативные органы растений. Строение и функции корня
- •1. Свойства и функции корня
- •2. Виды корней и корневых систем
- •3. Внешнее строение корня
- •4. Внутреннее (первичное и вторичное) строение корня
- •5. Основные видоизменения корня (метаморфозы)
- •Лекция 6 вегетативные органы растений побег. Строение и функции стебля
- •1. Побег как орган растения
- •2. Строение, функции и типы почек
- •3. Ветвление побега
- •4. Функции и типы стеблей
- •5. Анатомическая структура стебля
- •Лекция 7 лист: строение, функции и разнообразие. Метаморфозы побега
- •1. Лист как орган растений
- •2. Внешнее строение листьев
- •3. Разнообразие листьев и листорасположение
- •4. Внутреннее строение листьев
- •5. Старение листьев и листопад
- •6. Основные видоизменения (метаморфозы) побега.
- •Надземные побеги
- •Подземные побеги
- •7. Вегетативное размножение растений
- •Лекция 8 растения
- •1. Особенности растений
- •2. Общая характеристика споровых растений
- •3. Общая характеристика семенных растений
- •4. Отличительные особенности голосеменных и покрытосеменных
- •Литература
3. Общая характеристика бактерий и их значение в природе
Все бактерии принадлежат к н/ц Прокариоты.
В надцарство Прокариоты объединяются в основном микроскопические организмы, клетки которых не имеют ограниченного мембраной ядра (доядерные).
Прокариоты – первые организмы появившиеся на Земле (~3,8 млрд. л.н.).
К надцарству Прокариоты относится всего лишь одно царство – Дробянки, которое подразделяется на три подцарства: архебактерии (метанобразующие), эубактерии (настоящие бактерии) и оксифотобактерии (хлороксибактерии и цианобактерии). По другой классификации к надцарству Прокариоты относится 2 царства: Архебактерии и Еубактерии.
Бактерии – это самая распространенная группа живых организмов в природе. Они живут в почве, воде, пыли, воздухе (до 40 км), в продуктах питания, на других организмах, а также и внутри их.
В 1 г плодородной почвы может содержится от 0,2 до 2 и более млрд. бактерий; в 1 см3 парного молока – более 3 млрд.
Бактерии являются космополитами: одни и те же виды можно найти на всех материках, т.е. почти повсеместно; они приспособлены к самым разным экологическим условиям.
Их можно найти даже в горячих источниках (при t до +88°С). Известны бактерии, которые существуют при высоком давлении (на дне океана) при t выше +360°С (термофилы).
Аэробные бактерии Microccus radiodurans могут выдерживать радиоактивное облучение в 6,5 млн. рентген, что в 10 тыс. раз превышает дозу, смертельную для человека. Некоторые бактерии могут находиться даже в ядерных реакторах.
Бактерии – в основном микроскопические клеточные организмы, не имеющие оформленного ядра. Сейчас известно около 5000 видов бактерий, а по другим данным их более 3 млрд. видов.
Размеры и формы
Размеры клеток бактерий составляют в среднем 10 мкм (от 0,2 до 100 мкм; 1 мкм = 10–6м). Большинство бактерий представляют собой одноклеточные организмы, однако некоторые являются колониальными и даже «многоклеточными» (многие нитчатые цианобактерии). Большинство бактерий можно рассмотреть только под микроскопом (отсюда и название – микробы).
Бактерии открыты голландским ученым А. Левенгуком. В 1695 г. вышла в свет его книга «Тайны природы», в которой были впервые описаны микробы.
По форме клеток среди настоящих бактерий (эубактерий) выделяют несколько групп (рис. 3.5.):
– кокки – имеют шарообразную форму (монококки – одиночные; диплококки – спаренные (пневмококк); стрептококки – соединенные в виде цепочки (Streptococcus thermophilus); сарцины – в виде плотных пачек; стафилококки – в виде виноградной грозди (Staphylococcus aureus));
– бациллы – палочковидные, вытянутые (Escherichia coli – кишечная палочка, Salmonella typhi – тифозная палочка) – самая многочисленная группа эубактерий;
– вибрионы – дугообразно изогнутые в виде запятой (Vibrio cholerae – вибрион холеры);
– спириллы – вытянутые, извитой формы в виде спирали (р. Спирилла).
Среди оксифотобактерий имеются также бактерии в виде многоклеточных нитей (Oscillatoria, Spirulina, Anabaena, Nostoc и др.).
Строение клетки. Бактериальные клетки имеют примитивное строение (рис. 3.6.).
Снаружи бактериальная клетка ограничена оболочкой (клеточной стенкой). У большинства бактерий (эубактерии) основным структурным веществом оболочки является муреин (гликопептид), у некоторых (цианобактерии) оболочка содержит некоторое количество целлюлозы, муреина, но главный компонент – другие полисахариды и пектиновые вещества.
Оболочка придает клетке определенную форму и прочность (выдерживает внутреннее давление протопласта в гипотоническом растворе); обладает избирательной проницаемостью и антигенными свойствами (благодаря белкам и углеводам, входящих в ее состав).
Снаружи оболочки у многих бактерий (эу- и цианобактерий) образуется слизистая капсула, состоящая из молекул полисахаридов, которая представляет собой дополнительный защитный слой.
Рис. 3.6.
Обобщенная
схема строения клетки бактерии.
У многих почвенных бактерий в условиях жаркого засушливого климата капсула предохраняет клетку от высыхания. Нередко она защищает бактериальную клетку от проникновения фага. У некоторых бактерий капсульная слизь является источником запасных питательных веществ, а также способствует закреплению бактерий на поверхности субстратов, а иногда и их передвижению.
Под оболочкой внутри клетки размещается густая цитоплазма. На внутренней поверхности плазмолеммы (белково-липидный комплекс) находятся ферменты. У многих бактерий плазмолемма образует впячивания внутрь клетки (так как темпы роста ее обычно превышают темпы роста клеточной стенки) – мезосомы, участвующие в бескислородном дыхании (спиртовом, молочнокислом и др. брожении). У бактерий, способных к фотосинтезу на подобных впячиваниях плазмолеммы (фотосинтетических мембранах) расположены фотосинтетические пигменты (у эубактерий – бактериохлорофиллы; у цианобактерий – хлорофилл а, каротиноиды) где и осуществляется фотосинтез (у эубактерий без выделения О2, у цианобактерий – с выделением О2).
Зеленые и пурпурные серобактерии (эубактерии) в процессе фотосинтеза используют не воду, а соединения серы: CO2 + 2H2S → (CH2O) + S2↓ + H2O.
Считается, что обогащение атмосферы кислородом в Архее связано с деятельностью именно цианобактерий: СО2 + 2Н2О → (СН2О) + О2↑ + Н2О
Подобные мембранные образования участвуют у некоторых бактерий и в фиксации атмосферного молекулярного азота (представители рода Azotobacter, Rhizobium, Anabaena, Nostoc).
В цитоплазме имеются рибосомы (70S), однако они меньше рибосом эукариот (80S) и расположены в цитоплазме свободно (не связаны с мембранами).
Рибосомы бактериального типа (70S) входят в состав органоидов эукариот – митохондрий и хлоропластов, что свидетельствует об эволюционном родстве прокариотных и эукариотных организмов.
В цитоплазме бактерий иногда заметны включения запасных питательных веществ (крахмал, гликоген, но чаще волютин – вещество, включающее остатки фосфорной кислоты).
Аналогом ядра у прокариот является структура, состоящая из ДНК, РНК и белков – генофор (нуклеоид), который не имеет собственной оболочки. Генетическая система прокариот (одиночные кольцевые молекулы ДНК) закреплена на клеточной мембране и соответствует примитивной хромосоме.
На поверхности многих бактериальных клеток имеются тонкие нитевидные структуры – фимбрии, представляющие собой прямые полые цилиндры, отходящие от цитоплазматической мембраны (их число может достигать от 1 до нескольких сотен, как, например, у кишечной палочки).
Фимбрии выполняют функцию прикрепления клетки к поверхности субстрата или сцепления клеток; половые фимбрии (F-пили) участвуют в передачи материала ДНК из клетки-донора в клетку-реципиент при размножении.
Бактерии лишены пластид, митохондрий, аппарата Гольджи и других органоидов имеющихся у эукариот. Отсутствует и внутриклеточное движение – циклоз.
У ряда нитчатых цианобактерий (носток, анабена) имеются специализированные клетки – гетероцисты с сильно утолщенными бесцветными 2-хслойными оболочками (принимают участие в размножении и в процессе фиксации молекулярного азота).
Движение. Бактерии реагируют на различные раздражители и способны перемещаться (таксис). Движение у некоторых осуществляется с помощью жгутиков (одного, как у Rhizobium, или нескольких, как у Azotobacter), другие – при помощи выбрасываемой слизи или благодаря вращению вокруг своей оси. Некоторые неподвижны (у цианобактерий жгутиков нет).
Нередко бактериальная клетка проходит в 1 с расстояние в 20 – 60 мкм (часто во много раз больше длины собственного тела). К спринтерам среди бактерий относится холерный вибрион, его скорость – 200 мкм/с.
Образование спор. Некоторые бактерии (в основном из рода Clostridium и Bacillus) при наступлении неблагоприятных условий образуют споры (эндоспоры), устойчивые к низким или высоким температурам и обезвоживанию.
Часть цитоплазмы, содержащая ДНК, уплотняется и покрывается плотной споровой оболочкой. Такие споры сохраняют способность к «прорастанию» в течение десятков лет (до 100). Например, бациллы сибирской язвы в состоянии спор остаются жизнедеятельными в течении 30 лет.
Если покоящаяся, устойчивая структура образуется из целой клетки, то она называется цистой (ее образуют некоторые виды рода Azotobacter).
Размножение. Митоз и мейоз у бактерий отсутствует.
Размножаются бактерии бесполым путем – делением клеток надвое (бинарное деление). Этому предшествует удвоение (репликация) нити ДНК генофора. Иногда у бактерий встречаются почкующиеся формы (формирование дочерней клетки меньшего размера, чем материнская).
В благоприятных условиях бактерии делятся через каждые 20 – 30 минут.
Иногда у некоторых бактерий (например, кишечная палочка) наблюдается примитивный половой процесс, однако при этом не образуются гаметы (половые клетки) и не происходит слияние клеток. Клетки бактерий просто обмениваются генетическим материалом (частями ДНК или очень редко всей) – генетическая рекомбинация.
Генетическая рекомбинации может осуществляться трансформацией (передача НК без соприкосновения), коньюгацией (передача НК при непосредственном контакте) или трансдукцией (передача НК посредством вирусов – умеренных бактериофагов).
Питание. Большинство – гетеротрофы. Они питаются:
– сапротрофно (мертвым, гниющим органическим материалом), выделяя при этом во внешнюю среду пищеварительные ферменты, а затем поглощая растворенные вещества;
– паразитически (болезнетворные, разлагают органику внутри живого организма-хозяина);
– симбиотически (также живут внутри других организмов, питаются за их счет, однако приносят хозяину и существенную пользу).
Например, бактерии рода Rhizobium вступают в симбиоз с корнями бобовых растений (клубеньки на корнях), питаются за их счет и фиксируют молекулярный азот, который используют растения. Кишечная палочка живет внутри организма человека и производит витамины В и К необходимые человеку. Внутри кишечного тракта жвачных животных бактерии разрушают целлюлозу до сахаров; бактерии, живущие в кишечном тракте термитов, также разлагают целлюлозу.
Некоторые бактерии питаются автотрофно. В зависимости от источника энергии используемого при этом, бактерии подразделяются на фотосинтетики (зеленые и пурпурные серобактерии, цианобактерии и др.) и хемосинтетики (нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии и др.).
Хемосинтезирующие бактерии в качестве атомов углерода используют СО2, а энергию для синтеза органических веществ получают не от Солнца, а путем окисления неорганических веществ (азота, серы, аммиака, водорода, нитратов и соединений железа). Например, серобактерии окисляют серу до сульфат-ионов, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитратов и т.д.
Значение в природе.
1. Участвуют в биогеохимических циклах. Улучшают плодородие почв.
Гетеротрофные бактерии выполняют в биосфере функцию редуцентов – разлагают мертвые органические остатки до простых минеральных веществ (CO2, H2O и др.), возвращая их опять растениям. Установлено, что более 90% СО2 биосферы образуется в результате деятельности бактерий и грибов (остальные 10% пополняются в атмосфере за счет дыхания эукариот, а также за счет хозяйственной деятельности человека).
Участвуют в процессах гниения (разложение белков и других азотистых соединений до аммиака – аммонификация), нитрификации (окисление аммиака до нитритов (NО2–) и нитратов (NО32–) – Nitrosomonas, Nitrobacter), денитрификации (превращение нитратов и нитритов в аммиак, молекулярный азот, оксиды азота – Thiobacillus), фиксации атмосферного азота (участвуют симбиотические (клубеньковые бактерии Rhizobium) и свободноживущие бактерии (Azotobacter, Clostridium, Nostoc, Anabaena), образование сульфитов и т.д.
Участвуют в образовании различных полезных ископаемых (железных руд, фосфоритов, месторождений серы, нефти, угля и др.).
2. Вступают в симбиоз с другими организмами.
Бактерии из рода Rhizobium с корнями бобовых; некоторые цианобактерии являются одним из компонентом лишайников; бактерии и травоядные животные и т.д.
3. Применяются при очистке (биологической) сточных вод (разлагают органические вещества до безвредных неорганических).
4. Получение различных продуктов (пищевых, технических и др.).
Например, молочнокислые бактерии (Lactobacillus) используются для получения молочнокислых продуктов (кефир, йогурт, сливки, сыр и др.); уксуснокислые бактерии (Acetobacter) сбражживают спирт до уксусной кислоты; получают различные ферменты, лимонную кислоту, спирт и т.д. Некоторые бактерии (Актиномицеты) используются для производства антибиотиков, образующиеся в процессе их жизнедеятельности (в практике широко используются свыше 50 таких антибиотиков: стрептомицин, тетрациклин, грамицидин и т.д.), а также инсулина, интерферона. Бактерии используют для получения белка (так называемый белок одноклеточных), который можно использовать на корм скоту, а также в качестве пищевой добавки для человека (Spirulina). Метанобразующие бактерии (из архебактерий) применяются для получения биогаза из различных органических отходов (широко практикуется в Китае). На рисовых полях в тропиках искусственно разводят анабену (цианобактерия) для обогащения почвы азотом. Некоторые бактерии используются при квашении, засолке, силосовании и т.д.
5. В микробиологических исследованиях.
Одно из достижений генетической инженерии – это перенос генов, кодирующих синтез инсулина у человека, в клетки бактерий (уже начато промышленное получение этого гормона); получение интерферона.
6. Использование бактерий в качестве биологического метода борьбы с вредителями и сорняками в сельском хозяйстве.
Определенные виды бактерий из рода Bacillus заражают и вызывают гибель гусениц некоторых бабочек и личинок родственных им насекомых. Препарат таких бактерий используют для опыления посевов.
7. Порча пищевых продуктов.
8. Многие бактерии являются возбудителями болезней человека, животных и растений.
У растений вызывают рак томатов, паршу картофеля, гниль капусты, моркови и др. У животных – пищевые отравления, вызванные сальмонеллами (сальмонеллез), туберкулез и др. У человека – бактериальная пневмония, дифтерия, тиф, туберкулез, сибирская язва, сальмонеллез, холера, сифилис, пищевые бактериальные отравления и т.д.
9. Некоторые бактерии (цианобактерии: микроцистис, осциллатория, анабена и др.) вызывают «цветение» воды (при их массовом размножении вода окрашивается в зеленый цвет), что приводит к гибели гидробионтов (из-за отравления продуктами жизнедеятельности (H2S, NH3, CH4) и недостатка О2).